DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.144950
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: S. Saravanan وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير تشتت أكسيد الجرافين (GO)، المدعوم بإيثر بوليكاربوكسيليت (PCE)، على حركية الترطيب، وتطوير القوة، وأداء الكربنة للأسمنت المختلط الثلاثي منخفض الكلنكر. وُجد أن نسبة PCE/GO تبلغ 10 تُثبّت GO بشكل مثالي في البيئة القلوية للأسمنت، مما يؤدي إلى تحسين معدلات الترطيب. على وجه التحديد، أدت إضافة 0.1% وزناً من GO إلى زيادة بنسبة 26% في قوة الضغط بعد يوم واحد، وهو ما تم تأكيده من خلال تحليل حي باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) الذي أشار إلى تحسين ذوبان مرحلة الكلنكر.
اكتشاف مهم في هذه البحث هو تحديد مفارقة الكربنة، حيث تسارعت معدل الكربنة بواسطة GO بنسبة 83.7% دون زيادة في إجمالي احتجاز CO₂، مما يتحدى الاعتقاد التقليدي بأن الكربنة الأسرع تؤدي إلى امتصاص أكبر لـ CO₂ في المواد الرابطة المعالجة نانو. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الأداء على المدى الطويل من خلال بيانات 28 يومًا وإجراء تحليل كمي للمرحلة باستخدام تحسين ريتفيلد. بالإضافة إلى ذلك، تقترح أن التحقيقات المستقبلية يجب أن تستخدم تقنيات توصيف الميكروهيكل، مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، للتحقق من الآليات المقترحة بشأن تقليل القوة عند جرعات عالية من GO ومفارقة الكربنة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على ضرورة تحسين جرعة GO ونسب PCE/GO بعناية في تصميمات الخلط العملية لتحقيق توازن بين الأداء في المراحل المبكرة والمتانة على المدى الطويل.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم لإنتاج الأسمنت في انبعاثات CO₂ العالمية، حيث يمثل حوالي 8% من الانبعاثات البشرية. لمواجهة هذا التحدي البيئي، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تغييرات تحويلية في إنتاج الأسمنت، وخاصة من خلال تقليل محتوى الكلنكر. تم تحديد استراتيجية واعدة تتمثل في زيادة استخدام المواد الأسمنتية المساعدة (SCMs)، التي يمكن أن تعزز استدامة الخرسانة من خلال استبدال الكلنكر جزئيًا مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية أو تحسينها. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي مستويات استبدال SCM الأعلى إلى تطوير قوة مبكرة أبطأ وزيادة القابلية للكربنة، مما يثير القلق بشأن التطبيقات التي تتطلب زيادة سريعة في القوة.
تقترح الورقة استخدام أكسيد الجرافين (GO) كمواد نانوية للتخفيف من هذه التحديات. لقد أظهر GO إمكانيات لتسريع الترطيب وتحسين الميكروهيكل للأسمنت البورتلاندي العادي، لكن سلوكه في الأنظمة الغنية بـ SCM لا يزال غير مستكشف بشكل كافٍ. قد يؤدي إدخال GO إلى تعزيز القوة المبكرة واحتجاز CO₂، ومع ذلك، فإن تحقيق تشتت موحد في مصفوفة الأسمنت أمر حاسم لفعاليته. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في تشتت GO في الأنظمة المختلطة منخفضة الكلنكر، مع التركيز على تأثيراته على حركية الترطيب والأداء الميكانيكي والكربنة. من خلال تقنيات تحليلية متنوعة، تسعى البحث لتقديم رؤى حول تصميم المواد الرابطة المعالجة نانو، التي يمكن أن تساهم في مواد البناء المحايدة للكربون.
طرق
كان البرنامج التجريبي الموضح في هذا القسم يهدف إلى تقييم تشتت أكسيد الجرافين (GO) وتأثيراته على الترطيب، والخصائص الميكانيكية، والكربنة لنظام الأسمنت المختلط الثلاثي بشكل منهجي. تم هيكلة البرنامج في ثلاث مراحل رئيسية:
1. **تحسين التشتت**: ركزت هذه المرحلة الأولية على تقييم استقرار وتشتت GO ضمن بيئة إسمنتية محاكاة لتحديد النسب المثلى من إيثر بوليكاربوكسيليت (PCE) إلى GO التي ستؤدي إلى تشتت مستقر وعالي الجودة.
2. **تحليل حركية الترطيب والخصائص الميكانيكية**: باستخدام نسب PCE/GO المثلى التي تم تحديدها في المرحلة الأولى، حققت هذه المرحلة في تأثير GO على حركية الترطيب وقوة المراحل المبكرة، بهدف إنشاء أكثر أنظمة GO-PCE فعالية.
3. **تحليل الكربنة**: في المرحلة النهائية، تم تقييم العينات المحسنة لقدرات احتجاز الكربون الخاصة بها.
يتم تمثيل سير العمل لهذا البرنامج الشامل المكون من ثلاث مراحل بصريًا في الرسم البياني المرافق (الشكل 1).
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل أو العلاج المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في المقاييس المستهدفة، مما يشير إلى فعاليته.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مع معالجة الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز الفهم للموضوع المقصود ويقترحون اتجاهات للدراسات اللاحقة لاستكشاف الأسئلة غير المحلولة أو للتحقق من النتائج عبر سياقات مختلفة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة تعزز قاعدة المعرفة الحالية في هذا المجال.
نقاش
في هذه الدراسة، تم صياغة رابط ثلاثي باستخدام الأسمنت البورتلاندي العادي (CEM I 52.5 R)، والخبث، ومسحوق الحجر الجيري لتتوافق مع أهداف الاستدامة. كانت تركيبة الرابط 49% CEM I، 35% خبث، و16% حجر جيري، مع تقديم توصيف مفصل للمكونات. تم إدخال أكسيد الجرافين (GO) كإضافة نانوية، وتم تقييم استقرار تشتته في محلول مسام الأسمنت المحاكي. أظهرت النتائج أنه بينما ظل GO متشتتًا جيدًا في الماء، إلا أنه تكتل في البيئة القلوية لمحلول المسام بسبب الربط المتقاطع لـ Ca²⁺. أدى استخدام إيثر بوليكاربوكسيليت (PCE) كعامل تشتت إلى تحسين استقرار GO بشكل كبير، حيث كانت نسبة كتلة PCE/GO تبلغ 15 تعطي تشتتًا مثاليًا على المدى الطويل.
تم تقييم حركية الترطيب، مما كشف أن GO عزز تفاعل الترطيب، وخاصة لـ C3A، من خلال العمل كموقع نواة. أدى إدخال PCE إلى تمديد فترة الحضانة ولكنه أيضًا خفف من تأثيراته المعيقة عند دمجه مع GO. تم تحديد الجرعة المثلى من GO على أنها 0.2% وزناً، مما أدى إلى زيادة ملحوظة في إجمالي إطلاق الحرارة مقارنة بالتحكم. علاوة على ذلك، أثرت تركيزات PCE المتغيرة على سلوك الترطيب، حيث أظهرت نسبة PCE/GO تبلغ 15 أفضل توازن بين التشتت وتعزيز الترطيب. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تحسين تركيزات GO وPCE لتحسين أداء المواد الإسمنتية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.144950
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): S. Saravanan et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
The study investigates the influence of graphene oxide (GO) dispersion, aided by polycarboxylate ether (PCE), on the hydration kinetics, strength development, and carbonation performance of low-clinker ternary blended cement. It was found that a PCE/GO ratio of 10 optimally stabilizes GO in the alkaline environment of cement, leading to enhanced hydration rates. Specifically, the addition of 0.1 wt% GO resulted in a 26% increase in 1-day compressive strength, corroborated by in-situ X-ray diffraction (XRD) analysis that indicated improved clinker phase dissolution.
A significant finding of this research is the identification of a carbonation paradox, where GO accelerated the carbonation rate by 83.7% without increasing total CO₂ sequestration, challenging the conventional belief that faster carbonation leads to greater CO₂ uptake in nano-engineered binders. The study emphasizes the need for further research to explore long-term performance through 28-day data and to conduct quantitative phase analysis using Rietveld refinement. Additionally, it suggests that future investigations should employ microstructural characterization techniques, such as scanning electron microscopy (SEM), to validate proposed mechanisms regarding strength reduction at high GO dosages and the carbonation paradox. Overall, the findings highlight the necessity for careful optimization of GO dosage and PCE/GO ratios in practical mix designs to balance early-age performance with long-term durability.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of cement production in global CO₂ emissions, accounting for approximately 8% of anthropogenic emissions. To address this environmental challenge, the study emphasizes the need for transformative changes in cement production, particularly through the reduction of clinker content. A promising strategy identified is the increased use of Supplementary Cementitious Materials (SCMs), which can enhance the sustainability of concrete by partially replacing clinker while maintaining or improving mechanical properties. However, higher SCM replacement levels can lead to slower early strength development and increased susceptibility to carbonation, raising concerns for applications requiring rapid strength gain.
The paper proposes the use of graphene oxide (GO) as a nanomaterial to mitigate these challenges. GO has shown potential to accelerate hydration and improve the microstructure of ordinary Portland cement, but its behavior in SCM-rich systems remains underexplored. The introduction of GO could enhance early strength and CO₂ sequestration, yet achieving uniform dispersion in the cement matrix is critical for its effectiveness. The study aims to systematically investigate the dispersion of GO in low-clinker blended systems, focusing on its effects on hydration kinetics, mechanical performance, and carbonation. Through various analytical techniques, the research seeks to provide insights into the design of nano-engineered, low-clinker binders that could contribute to carbon-neutral construction materials.
Methods
The experimental program outlined in this section aimed to systematically assess the dispersion of graphene oxide (GO) and its effects on the hydration, mechanical properties, and carbonation of a ternary blended cement system. The program was structured into three key stages:
1. **Dispersion Optimisation**: This initial stage focused on evaluating the stability and dispersion of GO within a simulated cementitious environment to determine the optimal ratios of polycarboxylate ether (PCE) to GO that would yield stable and high-quality dispersion.
2. **Hydration and Mechanical Properties Analysis**: Utilizing the optimal PCE/GO ratios identified in the first stage, this phase investigated the influence of GO on hydration kinetics and early-age strength, aiming to establish the most effective GO-PCE system.
3. **Carbonation Analysis**: In the final stage, the optimized samples were evaluated for their carbon sequestration capabilities.
The workflow of this comprehensive three-stage program is visually represented in the accompanying flowchart (Fig. 1).
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention or treatment applied led to a measurable improvement in the targeted metrics, suggesting its efficacy.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the existing literature, addressing potential implications for future research and practical applications. The authors emphasize the importance of these results in advancing understanding of the subject matter and propose directions for subsequent studies to explore unresolved questions or to validate the findings across different contexts. Overall, the results contribute valuable insights that enhance the current knowledge base in the field.
Discussion
In this study, a ternary binder was formulated using ordinary Portland cement (CEM I 52.5 R), slag, and limestone powder to align with sustainability goals. The binder’s composition was 49% CEM I, 35% slag, and 16% limestone, with detailed characterization of the components provided. Graphene oxide (GO) was introduced as a nano-additive, and its dispersion stability in a simulated cement pore solution was evaluated. The results indicated that while GO remained well-dispersed in water, it agglomerated in the alkaline environment of the pore solution due to Ca²⁺ cross-linking. The use of polycarboxylate ether (PCE) as a dispersing agent significantly improved GO stability, with a PCE/GO mass ratio of 15 yielding optimal long-term dispersion.
The hydration kinetics were assessed, revealing that GO enhanced the hydration reaction, particularly for C3A, by acting as a nucleation site. The introduction of PCE extended the induction period but also moderated its retarding effects when combined with GO. The optimal GO dosage was identified as 0.2 wt%, which resulted in a notable increase in total heat release compared to the control. Furthermore, varying PCE concentrations influenced hydration behavior, with a PCE/GO ratio of 15 demonstrating the best balance between dispersion and hydration enhancement. Overall, the findings underscore the importance of optimizing GO and PCE concentrations to improve the performance of cementitious materials.